Σεμινάριο Φυσικής Ενότητα 3 Γεωργακίλας Αλέξανδρος Ζουμπούλης Ηλίας Μακροπούλου Μυρσίνη Πίσσης Πολύκαρπος
Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε Άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.
Εφαρμοσμένων μαθηματικών και φυσικών επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αλεξίου Δημήτρης Υπεύθυνος καθηγητής : Παπαγιάννης Αλέξανδρος 27/05/2014
Εισαγωγή Κλιματική αλλαγή Αιωρούμενα σωματίδια Αερολύματα και κλιματική αλλαγή Βιβλιογραφία
Σε αυτήν την παρουσίαση θα γίνει μια προσπάθεια να διασαφηνισθούν οι όροι τις κλιματικής αλλαγής και των αερολυμάτων και να αναδειχθεί ο ρόλος των αιωρούμενων σωματιδίων στο φαινόμενο της αλλαγής του κλίματος. Ειδικότερα θα δούμε τον τρόπο με τον οποίο τα αιωρούμενα σωματίδια επηρεάζουν άμεσα ή έμμεσα το κλίμα του πλανήτη μας.
Κλίμα ονομάζεται η μέση καιρική κατάσταση μιας περιοχής που προκύπτει από τις μακροχρόνιες παρατηρήσεις των διάφορων μετεωρολογικών στοιχείων. Η ποικιλία των κλιμάτων που υπάρχει στην γη οφείλεται κυρίως στην ανισοκατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας. Η μελέτη της κλιματικής αλλαγής μπορεί να γίνει παρατηρώντας το πώς μεταβάλλεται ένα μετεωρολογικό στοιχείο, για παράδειγμα η θερμοκρασία.
Ορισμός: Κλιματική αλλαγή ονομάζεται η μεταβολή των μέσων όρων (αύξηση ή ελάττωση, κυρίως της θερμοκρασίας και της βροχόπτωσης ) μιας συνεχούς σειράς παρατηρήσεων με διάρκεια ίση ή μεγαλύτερη των 30 ετών. Εικόνες 1-2: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. WMO,2007
Απλό μοντέλο ενεργειακού ισοζυγίου της γης Re γη F=π* Re² * Fs, όπου Fs=1370W/m² η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας Fref= r* π* Re² * Fs, όπου r=0,3 ο συντελεστής ανάκλασης Fabs= (1-r)π*Re² *Fs Fem =4π*Re² *σ*τ^4 4π*Re² *σ*τ^4= (1-r)π*Re² *Fs Αντικαθιστώντας προκύπτει ότι: T= -15ºC
Απλό μοντέλο φαινομένου θερμοκηπίου Fo sw F3 Fa lw F7 Ατμόσφαιρα (Τa) asw F1 F2 Fa F6 alw Γήινη επιφάνεια (Τs) F1=(1-asw)Fo, όπου Fo η εισερχόμενη ακτινοβολία F2=rF1=r(1-asw) Fo, όπου asw 0,1 ο συντελεστής απορρόφησης των ακτινών μικρού μήκους κύματος. F3= (1-asw)F2= r(1-asw)²fo F6=σΤs^4 F7=(1-alw)F6= (1-alw)σΤs^4,, όπου alw 0,8 ο συντελεστής απορρόφησης των ακτινών μεγάλου μήκους κύματος Fa= alwστa^4
Από το ισοζύγιο των ροών ακτινοβολίας στο ατμοσφαιρικό στρώμα και την γήινη επιφάνεια ισχύει : Fo=Fa+F3+F7 F1+Fa=F2+F6 Αντικαθιστώντας τα Fo, asw, alw και σ προκύπτει : Τs=16ºC και Τa=-21ºC
Τα αέρια του θερμοκηπίου έχουν τόσο φυσική όσο και ανθρωπογενή προέλευση. Εικόνες 3-4: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. WMO,2007 IPCC, 2013
Αποτελέσματα της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής Άμεσα Έμμεσα Έντονες μεταβολές θερμοκρασίας Ακραία καιρικά φαινόμενα (ξηρασία,βροχοπτώσεις, χιονοπτώσεις) Τήξη των πάγων Ανύψωση της στάθμης της θάλασσας Μετακίνηση πληθυσμών Εξάπλωση ασθενειών Ξέσπασμα πολέμων Οικονομική κρίση Αλλαγές στα οικοσυστήματα και στην βιοποικιλότητα
Εικόνα 5: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. IPCC, 2013
Αερολύματα ή αιωρούμενα σωματίδια ονομάζονται όλα τα στερεά ή υγρά σωματίδια που έχουν διασπορά και διάμετρο από 2nm έως 200μm. Η χημική τους σύσταση ποικίλει και σχετίζεται με την πηγή προέλευσης τους και με το περιβάλλον που βρίσκονται. Τα αερολύματα χωρίζονται σε πρωτογενή (εκπέμπονται απευθείας ως σωματίδια) και δευτερογενή (δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα με διαδικασίες μετατροπής αερίων σε σωματίδια). Ηφαιστειακή σκόνη πρωτογενή σωματίδια Διοξείδιο του θείου πρόδρομο αέριο δευτερογενών σωματιδίων Εικόνες 6-7: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.
Πηγή προέλευσης Φυσική Ανθρωπογενής Σκόνη από το έδαφος Θαλάσσια άλατα (π.χ. NaCl) Ηφαιστειακή σκόνη Βιολογική προέλευση Θει ι κά άλατα από βιογενή αέρια Θει ι κά άλατα από ηφαιστειακό SO 2 Οργανική ύλη από βιογενή VOC Νιτρικά άλατα από NO X Βιομηχανική σκόνη (SO 2, NO X, ) Αιθάλη Θει ι κά άλατα από SO 2 Καύση βιομάζας Νιτρικά άλατα από ΝΟ Χ Οργανικές ενώσεις από βιογενή VOC
Τα σωματίδια δεν είναι απαραίτητα σφαιρικά μπορεί να έχουν διάφορα σχήματα. Εικόνα 8: Πνευματικά Δικαιώματα NASA NASA, 2004
Τα αιωρούμενα σωματίδια με βάση το μέγεθος τους διακρίνονται σε : Σωματίδια συμπύκνωσης (d 0,1μm) Συσσωματώματα (0,1μm d 2μm) Γιγαντιαία σωματίδια (d 2μm) Εικόνες 9-10: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.
O χρόνος ζωής των αερολυμάτων στην τροπόσφαιρα είναι από λίγες ημέρες ως μερικές εβδομάδες. Οι μηχανισμοί απομάκρυνσης των σωματιδίων από την ατμόσφαιρα είναι τρεις : 1. Η ξηρή εναπόθεση (Κατακάθιση μεγάλων σωματιδίων στην επιφάνεια της ξηράς και της θάλασσας) 2. Η υγρή εναπόθεση (Ενσωμάτωση μικρών σωματιδίων στα υδροσταγονίδια και απόπλυση με την βροχή) 3. Η διάχυση- διασπορά των αερολυμάτων (Μεταφορά μικρών σωματιδίων σε αποστάσεις μικρής ή μεγάλης κλίμακας)
Ο ρόλος των αερολυμάτων στην αλλαγή του κλίματος είναι ιδιαίτερα σημαντικός καθώς επιδρούν σε αυτό με δύο τρόπους είτε άμεσα είτε έμμεσα. Άμεσα : Σκεδάζουν ή απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία Έμμεσα: Επηρεάζουν την ανακλαστικότητα και την απορροφητικότητα των νεφών καθώς και την διάρκεια ζωής τους Εικόνα 11: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.
Άμεση επίδραση Τα αιωρούμενα σωματίδια ανάλογα με την χημική τους σύσταση, το μέγεθος και το σχήμα παρουσιάζουν διαφορές στην σκέδαση και στην απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας Τα σωματίδια που περιέχουν οργανικό άνθρακα καθώς και τα θεϊκά άλατα προκαλούν έντονη σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολίας με αποτέλεσμα να προκαλούν τοπική ψύξη της ατμόσφαιρας. Τα σωματίδια που περιέχουν μαύρο άνθρακα (αιθάλη) καθώς και αυτά που περιέχουν άλατα πυριτίου και σιδήρου απορροφούν την ηλιακή και γήινη ακτινοβολία με αποτέλεσμα να προκαλούν τοπική θέρμανση.
Μοντέλο σκέδασης απορρόφησης στρώματος αερολυμάτων Rs*r*Rs *t*t Rs*t*t r=βω(1-e^-τ) e^-τ Στρώμα αερολυμάτων (1-ω)(1-e^-τ) Rs*r*Rs*t Rs*r*t e^-τ Rs*t t ω(1-β)(1-e^-τ) ΓΗ
Αν Fo η αρχική ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας τότε η ολική ισχύς : Fr =r + t²rs+t²rs²r+ )Fo => Fr=r+t²Rs (1+Rs*t+Rs²r²+Rs³r³ +..)Fo Επειδή Rs,r<1 ισχύει: (1+Rs*t+Rs²r²+Rs³r³ +..) =1/1-Rs*r συνεπώς : Fr=(r+t²Rs/1-Rs*t) Fo= Ras*Fo (1) Αν δεν υπάρχουν σωματίδια (τ=0,t=1,r=0) : Fr=Rs*Fo ΔFr=(Ras-Rs)Fo=[ (r+t²rs/1-rs*t) Rs] Fo Επειδή η ατμόσφαιρα πρακτικά δεν αφήνει το σύνολο της εισερχόμενης ακτινοβολίας να διέλθει από μέσα της ισχύει : Τα²Fr=Ras*(ΤαFo)Τα Λαμβάνοντας υπόψη και την ύπαρξη νεφών η παραπάνω σχέση γίνεται : ΔFr=(1-Ac)Tα² [ (r+t²rs/1-rs*t) Rs] Fo
Συνοψίζοντας από την παραπάνω σχέση παρατηρούμε ότι η ανακλώμενη από τα αερολύματα ακτινοβολία εξαρτάται από : Την ισχύ της εισερχόμενης ακτινοβολίας, Fo Την νεφοκάλυψη, Ac Την διαπερατότητα της ατμόσφαιρας,τα Την λευκαύγεια της γης, Rs Την ανακλαστικότητα του αερολύματος, ω Την συνάρτηση οπισθοσκέδασης, β Το οπτικό βάθος, τ Οι οπτικές ιδιότητες του αερολύματος που καθορίζονται από την χημική του σύσταση παίζουν σημαντικό ρόλο στο ποσοστό της ανακλώμενης ακτινοβολίας. Αν αντικαταστήσουμε κάποιες τιμές για τον οργανικό άνθρακα η ΔFr 0,3W/m² και η αντίστοιχη μεταβολή της θερμοκρασίας ΔΤ 0,1ºC
Έμμεση επίδραση Σε ατμόσφαιρα ελεύθερη από αερολύματα είναι δυνατόν να δημιουργηθούν μέσω τυχαίων συγκρούσεων μεταξύ μορίων υδρατμών πολύ μικρά σταγονίδια νερού, τα οποία ονομάζονται έμβρυα (Ομογενής πυρήνωση). Τα αιωρούμενα σωματίδια χρησιμεύουν σαν πυρήνες συμπύκνωσης για τον σχηματισμό νεφών (Ετερογενής πυρήνωση). Εικόνα 12: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.
Εικόνα 13: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.
Ευχαριστώ για την προσοχή σας Να φύγω?
Παπαγιάννης Α. Φυσική περιβάλλοντος,e.m.π., 2014 Λαζαρίδης Μ. Ατμοσφαιρική ρύπανση με στοιχεία μετεωρολογίας,εκδόσεις Τζιόλα, 2010 Senfield j., and S.Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics : From Air Pollution to Global Change, J Wiley & Sons, Inc.,,New York,2006 IPCC, Climate Change 2013 : The Physics Basics,2007 Mασσάρα Β., Αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα της Πάτρας, Τ.Ε.Ι. Πάτρας,2001 Ζαφειρατου Η. Μέτρηση των αιωρούμενων σωματιδίων με επίγειες τεχνικές - συσχέτιση τους με ανεμολογικά δεδομένα εφαρμογή στο αιολικό πάρκο Λαυρίου, Ε.Μ.Π., 2013 Ανδρίτσος Ν., Σωματιδιακοί ρύποι,πανεπιστήμιο Θεσσαλίας,2009 Σαμαρά Κ., Αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα, Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης,2008 Φλωρου Κ., Ατμοσφαιρική Ρύπανση από Αιωρούμενα Σωματίδια κατά την Χειμερινή Περίοδο σε δυο Ελληνικές Πόλεις,πανεπιστήμιο Πάτρας,2005 Κολιός Α. Ατμοσφαιρικά αιωρήματα: άμεσες και έμμεσες επιδράσεις,πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης,2001 www.nasa.gov/ www.wmo.int/
Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους.